美國地震區(qū)劃圖的發(fā)展——地震危險性圖與抗震設(shè)計圖

潘 華 張 萌 李金臣

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美國地震區(qū)劃圖的發(fā)展——地震危險性圖與抗震設(shè)計圖

潘 華 張 萌 李金臣

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

在過去的數(shù)十年里，美國地震區(qū)劃圖隨著建筑抗震設(shè)計需求而不斷發(fā)展變化，從最初的一張圖發(fā)展成現(xiàn)今抗震設(shè)計圖和地震危險性圖兩圖共生的形式。地震危險性圖主要反映依據(jù)地震科學(xué)認識與基礎(chǔ)觀測資料評估得到的國土地震危險性分布，抗震設(shè)計圖則繼承了傳統(tǒng)地震區(qū)劃圖的主要功能，反映國土范圍內(nèi)建筑抗震設(shè)計所需地震動設(shè)計參數(shù)的分布，服務(wù)于建筑設(shè)計。依據(jù)抗震設(shè)計需求，美國地震區(qū)劃圖的演化過程可劃分為地震系數(shù)分區(qū)區(qū)劃、設(shè)計地震地震動區(qū)劃和最大考慮地震地震動區(qū)劃3個階段，各階段均始于地震危險性圖的改進，并以抗震設(shè)計理念與方法的更新?lián)Q代以及與之相適應(yīng)的抗震設(shè)計圖的編制為標志。本文總結(jié)了美國地震區(qū)劃圖的演化歷程，對地震危險性圖與抗震設(shè)計圖發(fā)生變革的技術(shù)原因、主要特征、應(yīng)用意義及其影響進行了重點的分析與論述。

地震區(qū)劃圖 抗震設(shè)計圖 地震危險性圖 最大考慮地震 設(shè)計地震 地震動

引言

地震區(qū)劃圖，從一開始就是為量大面廣的一般性建筑工程的抗震設(shè)計服務(wù)的，它根據(jù)對未來地震危險性的評估，將國土按地震危險性程度進行劃分，并用抗震設(shè)計所采用的地震動設(shè)計系數(shù)進行標定。例如，我國20世紀50年代編制的第一代地震區(qū)劃圖（李善邦，1957），就是為了填補當時我國對國土地震危險性評價的空白，以滿足新中國大量開展的建設(shè)工程抗震設(shè)防的需要。地震區(qū)劃圖在滿足工程抗震設(shè)計需要的同時，由于其所具有的地震危險性分區(qū)信息，也逐漸為一些關(guān)注未來地震危險性分布的其他領(lǐng)域所看中，如地震保險、地震災(zāi)害風(fēng)險評估、各類國土規(guī)劃等，這也導(dǎo)致地震區(qū)劃圖的應(yīng)用范圍不斷地擴大。然而，地震區(qū)劃圖面向抗震設(shè)計的屬性，造成地震區(qū)劃圖具有一些固有的特征，并使得其向其他應(yīng)用領(lǐng)域的擴展受到局限。例如，地震區(qū)劃圖往往存在設(shè)計地震動參數(shù)的上限值，這是工程建設(shè)權(quán)衡考慮抗震花費和地震風(fēng)險水平的結(jié)果，我國以前的地震烈度區(qū)劃圖不考慮基本烈度Ⅸ度以上的區(qū)劃，后來的地震動參數(shù)區(qū)劃圖不考慮0.4g以上的區(qū)劃；又如，地震區(qū)劃圖常采用地理分區(qū)和分區(qū)地震動代表值的區(qū)劃方式，這只能簡單、概略地反映各地地震危險性和地震動特征，不能反映各地實際的地震風(fēng)險水平與地震動特征；再如，地震區(qū)劃圖往往只表達單一風(fēng)險水平下的抗震設(shè)計相關(guān)的地震動參數(shù)，這是由于當前主流的抗震設(shè)計方法只需要利用地震區(qū)劃圖來確定設(shè)計級地震動參數(shù)或與其有確定性比例關(guān)系的相關(guān)地震動參數(shù)（如最大考慮地震（MCE）地震動等），等等。因此，地震區(qū)劃圖面臨新的進步和發(fā)展需求。在我國，除了上述需求外，抗震設(shè)計理念和方法的進步對地震區(qū)劃圖發(fā)展的需求也正變得迫切。

美國地震區(qū)劃圖的發(fā)展演化歷程，就充分體現(xiàn)出地震區(qū)劃圖的變革與抗震設(shè)計及其他應(yīng)用需求發(fā)展的關(guān)系。美國地震區(qū)劃圖，最初也只是單一地為了滿足國土范圍內(nèi)一般性建筑抗震設(shè)計的需要，在歷經(jīng)了數(shù)十年的發(fā)展后，逐漸演變形成以抗震設(shè)計圖（Seismic Design Map，簡稱SDM）和地震危險性圖（Seismic Hazard Map，簡稱SHM）構(gòu)成的地震區(qū)劃圖，呈現(xiàn)出與我國地震區(qū)劃圖非常不一樣的面貌，代表了國際上地震區(qū)劃圖發(fā)展的一個方向。美國地震區(qū)劃圖中的SHM是基于地震科學(xué)的國土地震危險性評價結(jié)果，其構(gòu)成了SDM的基礎(chǔ)；SDM則繼承了以往地震區(qū)劃圖的主要功能，重點考慮匹配建筑和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的標準、理念、方法、經(jīng)驗與政策需求。SHM確保了SDM的來源明確，除了能夠更好地滿足建筑抗震設(shè)計需要外，還為地震區(qū)劃圖在其他需要考慮地震風(fēng)險的領(lǐng)域的應(yīng)用提供了地震風(fēng)險來源一致的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。美國地震區(qū)劃圖的變革，與美國抗震設(shè)計標準和抗震設(shè)計方法的發(fā)展，以及地震危險性評價方法的進步息息相關(guān)。本文在大量文獻閱讀和研究的基礎(chǔ)上，詳細解讀了美國地震區(qū)劃圖的發(fā)展與演化進程，分析了地震危險性分析技術(shù)和建筑抗震設(shè)計理念與方法的創(chuàng)新，以及兩者相互促進，對美國地震區(qū)劃圖發(fā)展的推動，期望能夠為我國地震和地震工程科研人員更好地了解和認識美國地震區(qū)劃圖的特點，以及地震區(qū)劃圖、地震危險性評價與抗震設(shè)計的關(guān)系，為我國地震區(qū)劃圖和抗震設(shè)計地震動的相關(guān)研究提供幫助。

1 地震危險性系數(shù)分區(qū)區(qū)劃（1928—1977）

1.1 地震危險性系數(shù)分區(qū)區(qū)劃圖簡介

美國自1927年的UBC規(guī)范起開始考慮抗震設(shè)計。當時，美國還沒有開始全國性地震危險性區(qū)劃工作，這對大量建筑工程的抗震設(shè)計帶來困擾，沒有可應(yīng)用的對一個地方將來可能遭遇到的地震作用的科學(xué)評估。因此，UBC規(guī)范只能簡單地取建筑重量的7.5%（在較軟的場地上為10%），作為建筑基底側(cè)向地震力用于抗震設(shè)計的計算（Beavers，2002）。

1928年，美國地震工程學(xué)家首次編制了包含西部11個州的地震區(qū)劃圖，將美國西部按地震危險性由弱到強劃分為1、2、3這3個分區(qū)，并以地震危險性系數(shù)標定其地震危險性程度，1區(qū)的值為0.02（較弱場地為0.04），2區(qū)取為1區(qū)的2倍，3區(qū)取為1區(qū)的4倍。該圖被1935年版的UBC規(guī)范采用，且規(guī)定建筑基底側(cè)向地震力=（Beavers，2002）?？梢?，從一開始美國的地震區(qū)劃圖就是直接面向建筑抗震設(shè)計應(yīng)用的。

1948年，美國海岸和大地測量局（USCGS）編制并發(fā)布了美國第一張全國性的地震區(qū)劃圖，該圖將全美劃分為0、1、2、3這4個分區(qū)，0區(qū)為地震活動不會造成破壞的區(qū)域，1區(qū)為地震活動造成輕微破壞的地區(qū)，2區(qū)為地震造成中等破壞的地區(qū)，3區(qū)為地震活動造成嚴重破壞的地區(qū)。1949年又發(fā)布了該圖的修訂版（Roberts等，1950），圖中1區(qū)到3區(qū)的地震危險性系數(shù)取值分別為0.25、0.5、1（胡聿賢，1988）。

1969年，USCGS再次發(fā)布了新的地震區(qū)劃圖（Algermissen，1969），當時稱為美國地震危險性圖（Seismic Hazard Map），與1949年的圖一樣，采用4個分區(qū)劃分。

1.2 地震危險性系數(shù)分區(qū)區(qū)劃階段的基本特征

本階段具有代表性的地震區(qū)劃圖是美國海岸和大地測量局（USCGS）編制并發(fā)布的1949年版美國地震區(qū)劃圖，其基本特征表現(xiàn)為：以歷史地震破壞程度衡量地震危險性；以分區(qū)形式對地震危險性進行區(qū)域劃分；以地震危險性系數(shù)標定地震危險性等級，作為地震區(qū)劃圖編圖參數(shù)。

2 設(shè)計地震地震動區(qū)劃（1978—1996）

1971年San Fernando6.5地震后，美國減輕地震災(zāi)害影響的意識顯著增強。20世紀70年代早期開始，美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）正式接手全美的地震危險性評估，這是美國減輕地震災(zāi)害方面具有里程碑意義的事件，地震學(xué)家的全面參與，使得大量關(guān)于地震、地球物理、地質(zhì)構(gòu)造方面的最新理論與研究成果，以及地震、地質(zhì)、強震動記錄資料得以應(yīng)用于地震危險性的評估，發(fā)展出新的概率地震危險性評價方法，提出了新的地震危險性概率表達方式。與此同時，1973年美國加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會（SEAOC）創(chuàng)建了應(yīng)用技術(shù)委員會（ATC），開展抗震設(shè)計新方法研究與國家抗震設(shè)計指南的編制。

2.1 設(shè)計地震地震動區(qū)劃圖

1976年，USGS出于更新老版地震區(qū)劃圖的目的，發(fā)布了國家地震危險性圖（National Seismic Hazard Maps），簡稱NSHM 1976，以50年不超越概率90%的地震動峰值加速度等值線表達地震危險性（Algermissen等，1976）。該圖相較以往出現(xiàn)了幾個重要的變化，一是采用了概率表達形式，體現(xiàn)了地震動的風(fēng)險水平；二是直接以各地實際的地震動峰值加速度表示未來地震危險性的大小，而不是人為給定的地震危險性系數(shù)；三是采用等值線取代了以往的分區(qū)形式，這也是各地實際地震動影響表達的較為合理的形式。NSHM 1976的編制對抗震設(shè)計方法帶來巨大沖擊，主要體現(xiàn)在兩個方面，一是50年不超過概率90%的地震動峰值加速度，與以往分區(qū)的地震危險性系數(shù)是否相當；二是某些地區(qū)地震動峰值加速度要遠遠超過以往采用的地震危險性系數(shù)值，比如加州沿岸的高地震活動區(qū)，這勢必帶來建設(shè)費用的極大提高，甚至導(dǎo)致無法進行合理的抗震設(shè)計。地震工程學(xué)家與工程師雖認可NSHM 1976這張圖的科學(xué)性與合理性，卻困擾于當時的抗震設(shè)計方法尚無法利用這張概率表達的地震動圖。

1978年，ATC發(fā)布了其研究報告ATC 3-06——《用于建筑抗震法規(guī)制定的試行規(guī)定》（Tentative Provision for the Development of Seismic Regulation for Buildings），該報告提出了許多開創(chuàng)性的抗震設(shè)計概念、程序、方法以及試驗性設(shè)計，對以后美國乃至世界抗震設(shè)計理論與實踐發(fā)展都具有重要的影響。ATC 3-06報告中對抗震設(shè)計也提出了新的理念和方法，它認為：地震區(qū)劃圖應(yīng)直接采用地震動參數(shù)表達，不應(yīng)再采用分區(qū)的地震危險性系數(shù)；要考慮遠場地震動對長周期結(jié)構(gòu)的影響；抗震設(shè)計應(yīng)采用地震動反應(yīng)譜，且應(yīng)以簡潔的形式表達；抗震設(shè)計應(yīng)更加關(guān)注導(dǎo)致人員傷亡的結(jié)構(gòu)失效概率，其與地震動發(fā)生的頻率相關(guān)，不一定是不被超越的最大地震動，在結(jié)構(gòu)壽命期內(nèi)是可能被超越的（ATC，1978）。由此，ATC 3-06報告提出，抗震設(shè)計采用的地震動不能完全依賴于地震危險性分析的科學(xué)評定過程，而應(yīng)當包括一些主觀的經(jīng)驗判斷，這是因為當前關(guān)于地震的科學(xué)認識水平存在局限性，科學(xué)家運用現(xiàn)有知識來評價地震動水平存在較大的不確定性；同時抗震設(shè)計采用的地震動一定是地震動發(fā)生的風(fēng)險性與通過設(shè)計讓結(jié)構(gòu)具備抗御此地震動能力所需的花費之間的一種均衡。為此，ATC 3-06報告采用“設(shè)計地震地震動”（Design Earthquake Ground Motion）來表述抗震設(shè)計需要的地震動參數(shù)，并采用了簡便的地震動反應(yīng)譜表示方法，以等效峰值加速度系數(shù)a和等效峰值速度系數(shù)v來描述地震動短周期段和長周期段的特征，并配套了相應(yīng)的抗震設(shè)計方法（ATC，1978）。a是由加速度反應(yīng)譜0.1—0.5s周期譜值的平均值確定的有效峰值加速度（EPA）的無量綱系數(shù)，v是有效峰值速度（EPV）的無量綱系數(shù)，與1s左右的加速度反應(yīng)譜值成正比，通過采用v系數(shù)來考慮低頻地震動對柔性建筑的影響，v可依據(jù)a確定（ATC，1978；胡聿賢，1988）。ATC 3-06報告的抗震設(shè)計方法，對設(shè)計地震動參數(shù)提出的要求是突破性的，在當時并沒有一張地震區(qū)劃圖能夠滿足這一抗震設(shè)計方法的需求，于是，ATC 3-06報告以USGS的NSHM 1976相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，重新計算確定了a和v系數(shù)在全美的分布，并以這兩個地震動參數(shù)的等值線形式，編制了供建筑抗震設(shè)計使用的地震區(qū)劃圖，并稱為“抗震設(shè)計圖”（Seismic Design Maps，簡稱SDM），以區(qū)別于USGS編制的“地震危險性圖”。該圖標稱具有50年超越概率10%的水平，但實際上圖中的值并不具有同等的地震風(fēng)險（ATC，1978），本文中將該圖稱為SDM 1978。與NSHM 1976的PGA圖相比，SDM 1978中的a等值線位置與系數(shù)值均有一定的差異，最大的變化出現(xiàn)在加州地震活動最為強烈的地區(qū)，該地區(qū)a最大值沒有超過0.4，而PGA最大值卻達到0.8g，對此，ATC 3-06報告認為，其中一個重要的原因是峰值加速度與等效峰值加速度的差異，另外，也考慮到建筑規(guī)范即使要求針對0.4g以上加速度進行設(shè)計，現(xiàn)實中也不會真正使建筑物抗震性得到更多的提升，因此，確定0.4作為a的上限值，有一定的科學(xué)依據(jù)，也包含有專家的綜合判斷（ATC，1978；ANSI，1982）。地震學(xué)家雖然認同在像加州沿岸地區(qū)這樣具有高強度地震活動的地區(qū)取過高的設(shè)計地震動值是不可行的，也認同SDM 1978的表示方式，但同時也認為對地震危險性評估結(jié)果進行這樣主觀的上限截斷缺乏足夠的依據(jù)（ANSI，1982）。

NSHM 1976和SDM 1978的編制，意味著美國地震區(qū)劃圖向現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型的開始。美國以前的地震區(qū)劃圖是根據(jù)未來地震危險性的評價結(jié)果，以符合抗震設(shè)計需要的地震系數(shù)來標定的，反映了建筑應(yīng)通過設(shè)計達到的抗震能力，但不能充分反映或只能粗略地反映地震危險性（如，地震危險性等級或代表值）。當抗震設(shè)計開始強調(diào)采用實際地震動參數(shù)時，原有地震區(qū)劃圖形式就不適用了，并且也給抗震設(shè)計帶來較大的不確定性。NSHM 1976的編制，強化了地震區(qū)劃圖地震危險性表達的能力，卻不能完全適應(yīng)抗震設(shè)計的需要，因此，促成了SDM 1978的編制以實現(xiàn)地震區(qū)劃圖原有的抗震設(shè)計地震系數(shù)表達的功能。這開創(chuàng)了美國地震區(qū)劃圖的雙圖模式，開始明確區(qū)分SHM和SDM，同時增強了地震危險性表達和抗震設(shè)計地震參數(shù)表達兩方面能力，有利于地震危險性評價技術(shù)與方法、抗震設(shè)計理念與設(shè)計方法兩方面的進步與發(fā)展，而且，對地震危險性表達能力的提升，也使地震區(qū)劃圖能夠更好地服務(wù)于關(guān)注地震危險性的其他應(yīng)用領(lǐng)域，如地震保險、地震災(zāi)害評估等。

1978年，國家地震災(zāi)害減輕計劃（NEHRP）設(shè)立，在其支持下，美國聯(lián)邦應(yīng)急管理局（FEMA）所屬的建筑地震安全委員會（BSSC）在ATC 3-06報告的基礎(chǔ)上開發(fā)了新的面向全國的抗震設(shè)計指南——“NEHRP關(guān)于新建筑與其它結(jié)構(gòu)抗震條款建議”（簡稱NEHRP Provisions），并于1985年開始定期發(fā)布。NEHRP Provisions的出現(xiàn)，基本上統(tǒng)一了美國建筑抗震設(shè)計方法和設(shè)計地震荷載的確定，使美國地震區(qū)劃圖的更新與應(yīng)用開始緊密聯(lián)系于NEHRP Provisions的版本更新。

SDM 1978自發(fā)布以后，雖經(jīng)歷了數(shù)個版本的NEHRP Provisions更新，但其一直沒有被替代而沿用至1996年，時間跨度近20年，對美國建筑抗震設(shè)計產(chǎn)生了巨大的影響。這期間，由于地震、地質(zhì)資料的更新、地震危險性評價技術(shù)和方法的改進，以及地震強震動記錄的積累與地震動衰減研究方面的進展，USGS于1982年、1990年又編制并發(fā)布了兩版新的NSHM，采用了50和250年超越概率10%等多個概率水平、地震動峰值加速度（PGA）和峰值速度（PGV）兩個地震動參數(shù)（Algermissen等，1982，1990），使得美國地震區(qū)劃圖的SHM編制進入多概率階段。這些圖由于理念的創(chuàng)新而暫時沒能被接受，但NEHRP Provisions在版本更新過程中，一直在評估和探討新的可以應(yīng)用這些新NSHM圖的抗震設(shè)計方法。1991年，USGS為了更加配合抗震設(shè)計，首次編制了地震危險性一致地震動加速度反應(yīng)譜值圖，采用50和250年超越概率10%的加速度反應(yīng)譜（阻尼比5%）0.3s和1.0s周期點譜值，給定的場地條件為硬土場地（Algermissen等，1992）。該圖是首次采用概率一致的實際地震動加速度反應(yīng)譜進行地震危險性編圖，期望改進a與v參數(shù)表達地震動的缺點，但由于沒有充分的時間對新圖開展評估和研究，該圖同樣沒有被NEHRP Provisions的更新版本所采納。

2.2 設(shè)計地震地震動區(qū)劃階段的基本特征

本階段地震區(qū)劃圖以ATC 3-06報告中發(fā)布的SDM 1978和USGS發(fā)布的NSHM 1976兩張圖為代表，具有以下一些重要特征：

（1）地震區(qū)劃圖進入SDM和SHM構(gòu)成的雙圖模式時代，以SHM表達對各地地震危險性的真實評價，以SDM表示各地建筑抗震設(shè)計中所關(guān)注的相關(guān)地震動水平，使得兩者可以并行發(fā)展。而且，雙圖模式也能夠更好地適應(yīng)抗震設(shè)計法規(guī)相對穩(wěn)定，對新技術(shù)采納較為謹慎，而地震危險性評價隨資料、認識和方法發(fā)展更新較快的特點。

（2）建筑抗震設(shè)計以防止在設(shè)計地震地震動作用下建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危及生命的破壞為主要目標，SDM以設(shè)計地震地震動為參數(shù)，風(fēng)險水平相當于50年超越概率10%，如SDM 1978中標示的a和v?；谶@一重要特征，本文將地震區(qū)劃圖的這一時期稱為設(shè)計地震地震動參數(shù)區(qū)劃時期。

（3）地震區(qū)劃圖中的SHM開始采用概率地震危險性表達方式和實際地震動的等值線區(qū)劃方式。

（4）地震區(qū)劃圖中的SDM開始采用設(shè)計地震動反應(yīng)譜雙參數(shù)控制點的表達方式，開始關(guān)注長周期地震動特征的影響。

3 最大考慮地震地震動區(qū)劃（1997年—2017年）

3.1 最大考慮地震地震動區(qū)劃（1997年—2008年）

如前所述，美國地震區(qū)劃圖分別于1982年和1990年先后發(fā)布了兩版NSHM，SDM雖一直在進行更新的嘗試，但由于使用新NSHM圖件的抗震設(shè)計方法不夠成熟而一直沒有完成正式的更新。在進入1997年版NEHRP Provisions的更新周期后，F(xiàn)EMA、BSSC和USGS于1993年聯(lián)合提出了一項協(xié)作計劃PROJECT 97，要在新版NEHRP Provisions的更新中，解決已經(jīng)使用了近20年的SDM的更新?lián)Q代問題。該計劃有兩大目標：①編制新的NSHM，采用一致的基準表述整個國家的地震危險性；②在NSHM基礎(chǔ)上，確定全國統(tǒng)一的抗震設(shè)計標準，用作各類抗震設(shè)計條款與指南的統(tǒng)一輸入（Beavers，2002）。

3.1.1 最大考慮地震地震動區(qū)劃圖

依PROJECT 97計劃，USGS于1996年發(fā)布了NSHM 1996。該圖采用了50年超越概率2%、5%、10%這3個概率水平，阻尼比5%的地震動加速度反應(yīng)譜0.2s、0.3s和1.0s周期點譜值以及PGA，給定的場地條件為場地土類B類與C類分界場地，相當于30剪切波速為760m/s的硬巖場地（USGS 1996）。NSHM 1996在地震危險性圖編制的歷史上，也是一次重大的轉(zhuǎn)變，正式采用地震動加速度反應(yīng)譜周期點譜值進行地震危險性編圖，這意味著NSHM開始更加全面地反映各地實際地震動的特征。

同時，依PROJECT 97計劃，BSSC為能夠利用NSHM新成果來更新SDM，并發(fā)展相應(yīng)的新的抗震設(shè)計方法，專門成立了抗震設(shè)計方法組（Seismic Design Procedures Group，簡稱SDPG）。SDPG依據(jù)USGS的工作，對全美許多城市的地震動危險性曲線進行了分析，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)地震動超越概率曲線的斜率存在較大的差異，這意味著隨著超越概率的變化，地震動變化的幅度在地區(qū)之間是不一致的，在美國西部加州海岸地區(qū)50年超越概率2%的地震動值大約是50年超越概率10%地震動值的1.5倍，而在美國其它地區(qū)，兩者的比值在2.0到5.0之間甚至更高，因此，以往依50年超越概率10%地震動進行抗震設(shè)計的建筑，不能保證其抗倒塌地震動風(fēng)險水平在全國范圍內(nèi)基本相當（Leyendecker等，2000）。也就是說，在遭遇超過設(shè)計地震動水平的大地震動（如2500年一遇的地震動）作用時，同樣依NEHRP Provisions進行抗震設(shè)計的建筑，在一些地區(qū)不會發(fā)生倒塌，而在另一些地區(qū)會發(fā)生倒塌。據(jù)此，SDPG認為應(yīng)另選能夠滿足抗倒塌抗震設(shè)防目標的設(shè)計地震動確定標準。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中通過采用一定的抗震裕度來確保實現(xiàn)設(shè)計級地震動設(shè)計性能目標的實現(xiàn)，這也相當于為結(jié)構(gòu)提供了抗御超設(shè)計水準地震動的能力。保守估計，這一抗震裕度應(yīng)至少是設(shè)計地震動的1.5倍（FEMA，1998）?；诖?，SDPG提出了一個在抗震設(shè)計中使用的新的地震動標準——“最大考慮地震”（Maximum Considered Earthquake，簡稱MCE）地震動，代表一個合理設(shè)計的結(jié)構(gòu)所能承受地震動的最高水平，是抗御超越設(shè)計地震動的最大能力。MCE地震動和設(shè)計地震地震動的比值即為抗震裕度，新版的NEHRP Provisions中取為1.5，依此比值由通過MCE折算確定設(shè)計地震地震動，這樣能夠使全美范圍內(nèi)經(jīng)抗震設(shè)計的所有建筑達到同樣的抗倒塌地震風(fēng)險水平。那么MCE采用怎樣的概率水平合適？考慮到美國西部加州海岸地區(qū)是強地震活動區(qū)，建筑抗震設(shè)計承受住了多次大地震，以該地區(qū)大型活動斷裂上的特征地震地震動估計均值的1.5倍（且不應(yīng)小于50年超越概率2%地震動）作為該地區(qū)MCE地震動是合理的，而其風(fēng)險水平大致相當于美國其他地區(qū)50年超越概率2%—5%，因此，美國其他大部分地區(qū)就以50年超越概率2%地震動作為MCE地震動（FEMA，1998）。

基于SDPG的上述成果，F(xiàn)EMA于1997年發(fā)布了新版1997 NEHRP Provisions，正式采用以MCE地震動為參數(shù)編制的抗震設(shè)計圖SDM 1997，圖中地震動參數(shù)為阻尼比5%的MCE地震動加速度反應(yīng)譜在0.2s和1.0s周期點處譜值，場地條件為B類，并規(guī)定MCE地震動是設(shè)計地震地震動的1.5倍（FEMA，1998）。由此，SDM 1997也正式取代了SDM 1978。

從1996年以后USGS開始每隔6年更新一版NSHM，2002年發(fā)布了更新版NSHM（Frankel等，2002），NSHM 2002主要更新了地震、地質(zhì)、地球物理場等基礎(chǔ)資料，地震源模型、地震動預(yù)測模型等，圖件的表示形式?jīng)]有本質(zhì)變化，但是2003 NEHRP Provisions在NSHM 2002的基礎(chǔ)上修訂編制的SDM 2003，增加了L長周期轉(zhuǎn)換點圖，用于改善長周期部分譜形，特別是對于較軟的場地（FEMA，1998，2001，2004）。

3.1.2 最大考慮地震地震動區(qū)劃階段的基本特征

本階段地震區(qū)劃圖以FEMA發(fā)布的1997版NEHRP Provisions中的SDM 1997和USGS發(fā)布的NSHM 1996兩張圖為代表，具有以下一些重要特征：

（1）地震區(qū)劃圖中的SDM開始依據(jù)最大考慮地震（MCE）地震動編制，而不直接表示為設(shè)計級地震動。MCE地震動在全美各地的概率水平大致相當（約50年超越概率2%），在保證全美經(jīng)抗震設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)具有大致相當?shù)目拐鹪６鹊哪繕讼?，設(shè)計級地震動不再具有一致的概率水平。

（2）地震區(qū)劃圖中的SDM開始以實際地震動加速度反應(yīng)譜0.2s和1s周期點譜值編制，而不是a與v代表性系數(shù)；

（3）地震區(qū)劃圖中的SHM開始編制不同概率水平下的地震動反應(yīng)譜多個周期點譜值圖，以更好地反映地震動特征并更好地配合SDM的編制。

3.2 基于目標風(fēng)險的最大考慮地震地震動區(qū)劃（2009年至今）

2008年，USGS發(fā)布了更新版NSHM（Petersen等，2008），更新了基礎(chǔ)資料、地震源模型、地震動預(yù)測模型等，圖件形式?jīng)]有變化，依然是50年超越概率10%和2%的地震動加速度峰值與加速度反應(yīng)譜0.2s和1s周期點譜值圖，為2009年NEHRP Provisions的更新奠定了基礎(chǔ)。

3.2.1 基于目標風(fēng)險的最大考慮地震地震動區(qū)劃圖

經(jīng)抗震設(shè)計的建筑在遭遇到不超過MCE地震動作用時并不能保證不發(fā)生倒塌，只是統(tǒng)計意義上經(jīng)抗震設(shè)計的建筑倒塌概率應(yīng)該相對較低，例如，小于10%。然而，隨著考慮MCE抗震設(shè)計應(yīng)用的深入，地震工程學(xué)家們逐漸認識到，經(jīng)MCE抗震設(shè)計后的建筑其抗倒塌能力還是具有相當?shù)牟淮_定性，導(dǎo)致并不能保證在遭遇不超過MCE地震動作用時建筑倒塌概率小于10%。不確定性產(chǎn)生原因首先在于地震動特征的復(fù)雜性與不確定性，如，地震動時程特征，這導(dǎo)致地震動對建筑物的作用也具有不確定性；另一個重要的原因在于建筑在設(shè)計與建造過程中一些因素不可預(yù)知的不確定性，如，建造質(zhì)量、建筑材料及其性質(zhì)的穩(wěn)定性、工程措施實施狀況等等，這也會導(dǎo)致建筑在性能上存在不確定性。這些不確定性的客觀存在，意味著依MCE地震動進行的抗震設(shè)計，難以保證全美建筑物倒塌風(fēng)險水平達到一致。基于上述考慮，在2009 NEHRP Provisions的更新中，SDPG提出了基于目標風(fēng)險的最大考慮地震（MCER）地震動概念以取代MCE地震動。

SDPG考慮地震倒塌風(fēng)險的基本思想，是將對地震動產(chǎn)生風(fēng)險的評估結(jié)果與對地震動導(dǎo)致建筑倒塌風(fēng)險的評估結(jié)果進行疊加，前者就是地震危險性概率分布，后者設(shè)定為一個對數(shù)正態(tài)分布，疊加的方式是在概率地震危險性分析的積分計算公式中再疊加一個對數(shù)正態(tài)分布概率密度函數(shù)的積分，計算輸出地震倒塌危險性曲線，這樣給定地震倒塌目標風(fēng)險水平，就可以得到相應(yīng)的地震動（FEMA，2009）。2009 NEHRP Provisions中，給出的建筑地震倒塌對數(shù)正態(tài)分布的標準差為0.8，且概率地震動反應(yīng)譜周期點譜值的地震倒塌概率為10%。在確定MCER地震動時，設(shè)定目標風(fēng)險水平為50年地震倒塌概率1%。全美大部分地區(qū)可直接采用概率方法確定MCER地震動，在美國西部大型活動斷裂控制的高水平地震活動地區(qū)，如加州海岸地區(qū)，需要依據(jù)活動斷裂的特征地震大小及其不確定性，以確定性計算得到的地震動的84%分位數(shù)結(jié)果，來確定MCER地震動（FEMA，2009；張萌等，2017）。

2009 NEHRP Provisions中給出了概率法直接計算MCER地震動和通過MCE地震動與風(fēng)險系數(shù)R間接計算MCER地震動兩種計算方案（R為概率法計算得到50年地震倒塌概率1%目標風(fēng)險地震動與概率法計算得到的MCE地震動之比），并在NSHM 2008基礎(chǔ)上編制了抗震設(shè)計圖SDM 2009，該圖包括以下5種圖件（FEMA，2009）：

①概率一致地震動（Uniform-Hazard Ground Motion，UHGM）圖，UHGM圖為B類場地50年2%超越概率5%阻尼比地震動加速度反應(yīng)譜0.2s和1s周期譜值圖。

②風(fēng)險系數(shù)（Risk Coefficients，R）圖，R圖為地震動加速度反應(yīng)譜0.2s和1s周期處的R分布圖。

③確定性地震動（Deterministic Ground Motion，DGM）圖，DGM圖為B類場地5%阻尼比確定性地震動加速度反應(yīng)譜0.2s和1s周期譜值均值圖。

④長周期段起始周期（Long-Period Transition，L）圖，L圖為加速度反應(yīng)譜長周期段起始周期L的分布圖。

⑤MCE幾何平均峰值加速度PGA（MCE Geometric Mean PGA，MCEG）圖，即B類場地MCEG分布圖。

SDM 2009并沒有直接標示MCER地震動，而是給出了一系列用于確定MCER地震動的基礎(chǔ)圖件，雖然便于明了MCER地震動的含義和來源，但不便于抗震設(shè)計的使用。

美國建筑荷載標準ASCE 7-10更新采納了2009 NEHRP Provisions中地震動相關(guān)的更新內(nèi)容，但是對SDM 2009做了調(diào)整，直接給出MCER圖，不再提供UHGM和DGM圖（ASCE，2010）。這樣的調(diào)整更加符合抗震設(shè)計圖的本意。

2014年，USGS又更新發(fā)布了NSHM（Petersen等，2008，2014），NSHM 2014的圖件所包含的主要是50年超越概率10%和2%，地震動加速度峰值（PGA）與5%阻尼比地震動加速度反應(yīng)譜0.2s和1s周期點譜值圖。2015年，F(xiàn)EMA按照更新周期發(fā)布了最新版2015 NEHRP Provisions，基于NSHM 2014，編制了SDM 2015，參照ASCE-2010標準直接給出了B類場地MCER圖（FEMA，2015）。

3.2.2 基于目標風(fēng)險的最大考慮地震地震動區(qū)劃階段的基本特征

本階段地震區(qū)劃圖以FEMA發(fā)布的2009版NEHRP Provisions中的SDM 2009（包括ASCE 7-10中簡化版）和USGS發(fā)布的NSHM 2008兩張圖為代表，具有以下一些重要特征：

（1）地震區(qū)劃圖中的SDM開始依據(jù)基于目標風(fēng)險的最大考慮地震（MCER）地震動編制，強調(diào)保障全美經(jīng)抗震設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)具有大致相當?shù)牡卣鸬顾L(fēng)險水平。

（2）地震區(qū)劃圖中的SDM所包含的圖件更加復(fù)雜，意味著抗震設(shè)計中最大地震動水平MCER的確定更加復(fù)雜，抗震設(shè)計地震動反應(yīng)譜的控制更加細致。

（3）地震區(qū)劃圖中的SDM更加重視長周期地震動對現(xiàn)代城市高柔建、構(gòu)筑物的影響，單獨編制L圖。

（4）SDM與SHM的更新更加同步，作為地震區(qū)劃圖的兩個成分，兩者關(guān)系也更加清晰，NSHM 1996、NSHM 2002、NSHM 2008、NSHM 2014均在相應(yīng)的SDM 1997、SDM 2003、SDM 2009、SDM 2015圖件中得到反映，同時，USGS也在SDM圖件的編制中起了重要的作用，USGS的網(wǎng)站有專門的Design Ground Motions（https://earthquake.usgs.gov/hazards/ designmaps/）頁面，提供美國SDM和全美各地點建筑設(shè)計值，體現(xiàn)出SHM和SDM相互依存和相互協(xié)調(diào)的關(guān)系，代表了現(xiàn)代地震區(qū)劃圖的趨勢。

4 總結(jié)

4.1 美國地震區(qū)劃圖的主要特點

從前述的美國地震區(qū)劃圖的演化過程可以看出，美國地震區(qū)劃圖具有以下突出的特點：

（1）美國地震區(qū)劃圖已發(fā)展形成由抗震設(shè)計圖和地震危險性圖構(gòu)成的雙圖模式，從單一服務(wù)于建筑抗震設(shè)計，發(fā)展到既服務(wù)于地震危險性評價，也服務(wù)于建筑抗震設(shè)計，兩者相伴相生、密切協(xié)作，又各自沿著自己的技術(shù)路徑獨立發(fā)展，使得無論是抗震設(shè)計方法與理論，還是地震危險性評價方法與理論，都得到了充分的、積極的、持續(xù)不斷的提高，為整個國家的抗震設(shè)防提供了堅實的保障，代表了地震區(qū)劃圖未來的發(fā)展趨勢，值得我國的抗震設(shè)計部門和地震管理部門學(xué)習(xí)和借鑒。

（2）美國地震區(qū)劃圖中的抗震設(shè)計圖已不再依設(shè)計地震地震動參數(shù)編制，而是以建筑抗震設(shè)計考慮的最高抗震性能目標（抗倒塌）所針對的最大地震動（MCE或MCER）參數(shù)編制。同時，依據(jù)抗震設(shè)計圖可以簡單方便地確定設(shè)計地震地震動參數(shù)。這反映出美國對于一般性建筑的抗震設(shè)計以抗倒塌性能為最重要抗震設(shè)計目標的理念，從而為提高美國社會整體防御地震災(zāi)害的水平、減輕地震災(zāi)害損失奠定了非常重要的基礎(chǔ)。

（3）美國地震區(qū)劃圖中的地震危險性圖，強化并提升了原地震區(qū)劃圖所具有的較弱的、較粗略、較簡單的地震危險性表述功能，能夠真實地反映各地實際地震危險性以及相應(yīng)地震動特征；也能夠更加及時地反映由于地震、地質(zhì)、地球物理資料的積累、地震科學(xué)認識的新進展、地震危險性評價理論技術(shù)的發(fā)展等帶來的地震危險性認識的變化；同時，也為當前抗震設(shè)計方法能夠更加合理地確定設(shè)計地震動奠定基礎(chǔ)。更重要的是，新的地震危險性圖能夠更加適應(yīng)當前處于發(fā)展成熟中的、考慮多風(fēng)險水平下抗震性能目標的抗震設(shè)計方法（如基于性能的抗震設(shè)計方法等）的需要。

4.2 美國地震區(qū)劃圖未來可能的發(fā)展

當前，F(xiàn)EMA與USGS組織開展了針對2020年版NEHRP Provisions和2022年版ASCE 7-22更新的SDM研究計劃，提出了一系列的評估與研究目標，其中對未來的SDM可能有重要影響的研究方向如下：

（1）抗震設(shè)計圖表達的精度與不確定性的影響。當前等值線形式表達精度達到小數(shù)點后3位，但地震危險性評估存在的不確定性導(dǎo)致每次更新都帶來抗震設(shè)計圖的變化，使得抗震設(shè)計圖的穩(wěn)定性和可信度受到質(zhì)疑。是否有更好的表達方式能夠在精度與不確定之間找到平衡，使抗震設(shè)計圖的穩(wěn)定性得到提高。

（2）抗震設(shè)計圖采用的概率風(fēng)險水平確定?？拐鹪O(shè)計圖從50年超越概率10%，發(fā)展到50年超越概率2%，現(xiàn)在為50年倒塌概率1%，MCE復(fù)發(fā)間隔在美國中東部大致在2500年左右，而在美國西部采用了確定性的方法來確定MCE值。當前關(guān)于美國中東部地區(qū)MCE地震的復(fù)發(fā)間隔的認識存在較大爭議，依據(jù)對新馬德里地震源的研究，復(fù)發(fā)間隔可能只有1000年左右，如果接受這樣的認識，可能會導(dǎo)致抗震設(shè)計圖的編制發(fā)生較大改變，甚至可能不再需要確定性方法，這些需要通過開展相應(yīng)的研究來給出方案。

（3）是否保留一致倒塌風(fēng)險的定義。當前版本的抗震設(shè)計圖定義的一致倒塌概率為50年1%，但一些資深工程師質(zhì)疑其高估了大多數(shù)正真建筑物的倒塌風(fēng)險，需要開展研究，尋求更加合適的倒塌風(fēng)險評估方法。

（4）地震動加速度反應(yīng)譜的多周期點譜值定義。對于由較大地震控制的軟土場地，現(xiàn)行三參數(shù)定義的標準譜形在短周期段偏高而在長周期段偏低，需要研究是否應(yīng)采用多參數(shù)譜形定義。采用多參數(shù)定義便于合理地限定反應(yīng)譜的譜形，甚至有利于反映地震動的盆地效應(yīng)、近斷層效應(yīng)等，但究竟采用什么樣的表達方案需要進行研究，需要探討反應(yīng)譜參數(shù)點數(shù)目和位置、確定方法，以及由此帶來的圖件增多、標準應(yīng)用的便捷性較差等等問題。

（5）確定性圖件的計算方法?，F(xiàn)行的抗震設(shè)計圖的制定采用概率方法圖件和確定性方法圖件綜合的方法，以往的確定性計算基于活動斷層的“特征地震”震級，但是當前地震地質(zhì)學(xué)的發(fā)展已經(jīng)脫離的“特征地震”的概念，因此，如果還需要繼續(xù)保留確定性方法，就需要研究提出新的“最大考慮”確定性事件的定義以及提出新的計算方案。

（6）其他一些地震動參數(shù)是否加入，如多阻尼、豎向地震動、持時等等。雖然加入這些參數(shù)都有各種必要性理由，但是將不可避免地帶來圖件數(shù)量的急劇增加，對于抗震設(shè)計的使用帶來不便，應(yīng)研究提出可行的方案。

上述關(guān)于抗震設(shè)計圖未來方向的研究，反映了美國當前地震區(qū)劃圖發(fā)展的方向，預(yù)期下一版SDM會在上述研究成果的基礎(chǔ)上出現(xiàn)一些新的變化。

4.3 美國地震區(qū)劃圖與我國地震區(qū)劃圖的對比分析

美國地震區(qū)劃圖的發(fā)展，對地震區(qū)劃圖及其功能進行了充分展現(xiàn)和發(fā)揮，代表了未來地震區(qū)劃圖發(fā)展的方向。盡管我國在概率地震危險性分析的理論與方法上與美國地震區(qū)劃圖的發(fā)展保持一致，但由于建筑抗震設(shè)計理念與方法上的差異，導(dǎo)致我國編制主要為抗震設(shè)計服務(wù)的地震區(qū)劃圖時，在許多方面與美國地震區(qū)劃圖存在差異，總結(jié)如下：

（1）我國地震區(qū)劃圖當前依然采用的是傳統(tǒng)上一直使用的單圖模式，主要功能是提供抗震設(shè)計使用，實際上就相當于美國地震區(qū)劃圖中的抗震設(shè)計圖（SDM），對地震危險性的表達是比較粗略、簡化的。

（2）我國地震區(qū)劃圖當前依然采用的是傳統(tǒng)上一直使用的地震動參數(shù)分區(qū)（只是不同時期采用不同的分區(qū)系數(shù)）形式，抗震設(shè)計中對當?shù)貙嶋H地震危險性的考慮存在較大的不確定性。美國地震區(qū)劃圖當前采用地震動反應(yīng)譜周期點譜值參數(shù)等值線形式編圖，更加接近對當?shù)貙嶋H地震動特征的反映，使抗震設(shè)計更加符合各地地震環(huán)境。

（3）我國地震區(qū)劃圖當前還是采用50年超越概率10%的地震危險性水平來編制，圖中表達地震動水平相當于“中震”級別的設(shè)計地震地震動，在“中震”基礎(chǔ)上按比例確定的各地“大震”的概率水平不一致（如50年超越概率2%），導(dǎo)致不同地區(qū)建筑抗“中震”能力雖然相似，而抗“大震”倒塌能力變化較大。美國地震區(qū)劃圖以大致相當于50年超越概率2%的MCE或MCER地震動編制，以固定的抗震裕度系數(shù)來確定設(shè)計地震地震動，從而保障全美各地建筑抗倒塌風(fēng)險水平的一致性。

（4）我國地震區(qū)劃圖當前對不同風(fēng)險地震動的表達還主要是以系數(shù)標定的方式，比較簡單和粗略，不能以一致的概率風(fēng)險水平來表征不同級別的地震動，這主要是受限于我國地震區(qū)劃圖當前主要服務(wù)于抗震設(shè)計，沒有編制專門的全國地震危險性圖。美國地震區(qū)劃圖已經(jīng)采用多概率方式來編制國家地震危險性圖數(shù)十年，對國土范圍內(nèi)的地震危險性的表達更加充分和客觀，也促進抗震設(shè)計理念與方法因不斷適應(yīng)新的地震危險性表達而穩(wěn)定不斷地發(fā)展與進步。

綜上，與美國地震區(qū)劃圖對照，我國地震區(qū)劃圖的編制在很多方面需要學(xué)習(xí)、借鑒、創(chuàng)新和發(fā)展。我國應(yīng)盡快開發(fā)適應(yīng)我國地震環(huán)境特征和抗震設(shè)防需要的全國性地震危險性圖和全國性抗震設(shè)計圖，以完善我國地震區(qū)劃圖的編制，并在地震危險性研究和抗震設(shè)計方法方面能夠相互促進又各自發(fā)展進步，跟上國際先進的抗震設(shè)防理念與方法，更好地保障國家的地震安全。

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Review of Seismic Zonation in United States, Seismic Hazard Maps and Seismic Design Maps

Pan Hua, Zhang Meng and Li Jinchen

(Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China)

During the past few decades, seismic zonation maps in the United States keep developing and improving with change of requirements of building seismic design, from early single-map mode to nowadays two-maps mode consisting of Seismic Design Maps and Seismic Hazard Maps. The SHM is used for presenting the distribution of seismic hazard in territory which is evaluated based on science understanding about earthquakes and observational data. The SDM inherits the main function of the seismic zonation map, and is used for presenting the distribution of buildings seismic design coefficients. The history of the US Seismic Zonation Maps can be divided into three stages which using different parameters of seismic design ground motion, the coefficients of seismic zones, the design earthquake ground motion and the maximum considered earthquake ground motion. Each stage begins with improving of SHM and marked by a significant advance in seismic design procedures and SDM. In this paper, the history of US seismic zonation map is reviewed, and the technical reasons caused SDM updating, main features of SDM, significance and influence of SDM application and so on are focused to discussion.

Seismic zonation map; Seismic design map; Seismic hazard map; Maximum considered earthquake; Design earthquake; Ground motion

10.11899/zzfy20170307

2017-04-18

潘華，男，生于1966年。研究員，博士研究生導(dǎo)師。主要從事地震活動性、地震危險性分析、地震區(qū)劃相關(guān)工作。E-mail：panhua.mail@163.com